Первые молекулярные моторы на основе днк

Ученые из Bell Labs и Оксфордского университета создали первые молекулярные моторы на основе ДНК. Устройства, напоминающие моторизованные щипчики в 100000 раз меньше булавочной головки.

Разработка двигателя на базе ДНК — это часть активно развивающегося направления. Ученые верят, что нанотехнологии позволят создать процессоры с миллиардами транзисторов (чем больше транзисторов в процессоре, тем он мощнее), вместо миллионов, что является сегодняшним порядком сложности в полупроводниковых технологиях. «Эта технология в потенциале может заменить сегодняшние методы производства интегральных схем, которые могут достичь своего действительного предела в течение ближайших десяти дет, когда закон Мура упрется в тупик» — говорит физик Бернард Юрке из Bell Labs. ДНК, обеспечивающая молекулярные чертежи для всех живых клеток, является идеальным инструментом для создания наноустройств. «Мы пользуемся тем свойством ДНК, что ее части — с миллиардами возможных комбинаций — соединяются только одним-единственным способом, как части головоломки», — говорит Юрке. Разработчики спроектировали части синтетической ДНК так, чтобы они опознавали друг друга на каждом шаге изготовления моторов. В результате, единственным необходимым ингредиентом в тестовой пробирке были сами ДНК.

«Поскольку ДНК являются и «топливом» для этих моторов, они полностью самодостаточны и не нуждаются в других химикатах», — говорит Юрке. Самосборка моторов на основе ДНК, также критически важна для производства наноустройств. «При данных масштабах никакой другой подход не представляется практически применимым», — говорит Юрке — «Это может привести к созданию пробирочных нанопроизводств, которые собирают сложные структуры, такие как электронные схемы, путем соответствующей подачи молекул».

Поскольку обычно ДНК имеет вид двойной юпирали — этакой перекрученной лесенки — исследователи начали с трех одиночных спиралей, каждая из которых напоминала половинку лестницы, разрезанную вдоль.

Спираль А имеет правильную структуру, совпадающую с половинами спиралей В и С и соответственно соединяется с ними. Спираль А имеет также свободную секцию между частями, соединяющимися со спиралями В и С, так, что обе «руки» — АВ и АС — могут двигаться свободно.

В свободном состоянии структура ДНК плавает с расставленными руками. Руки сцепляются при добавлении «топливной» спирали, которая спроектирована так, чтобы совпадать со свободными секциями спиралей В и С. Снова открыть щипчики можно, добавив другую спираль, совпадающую с «топливной» и удаляющую ее.

«Вся находящаяся в нескольких каплях раствора популяция из 30 триллионов щипчиков ДНК может быть последовательно открыта и закрыта, путем добавления соответствующих спиралей», — говорит Эндрю Терблфилж, физик Оксфордского университета, проведший последний календарный год в Bell Labs. Поскольку ДНК-моторы слишком малы, чтобы наблюдать за ними доступными микроскопическими средствами, исследователи воспользовались эффектом флюоресценции для фиксирования фактов открытия и закрытия щипчиков.

Пара молекул красителя была прикреплена к кончикам ДНК-моторов, и когда лазерный свет возбуждал краситель, количество флуоресцентного излучения определяло расстояние между двумя краями.

Юрке сказал, что на создание ДНК-моторов его вдохновило осознание того, что молекулярные белковые моторы в живых организмах отвечают за сокращение мышц и перемещение веществ в клетках.

В настоящее время ученые Bell Labs уже работают над тем, чтобы присоединить к ДНК электропроводящие молекулы, чтобы собрать элементарные молекулярные электрические контуры.